EP1377429B1

EP1377429B1 - Schneckenelement für gleichsinnig drehende mehrschneckenextruder

Info

Publication number: EP1377429B1
Application number: EP02722005A
Authority: EP
Inventors: Reinhard Uphus; Matthias Nolting
Original assignee: Berstorff GmbH
Current assignee: KraussMaffei Extrusion GmbH
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: CN1239309C; DE10114727A1; EP1377429A1; US20040114455A1; US6974243B2; DE50208845D1; WO2002076707A1; JP2004521780A; CN1494475A; TW515749B; JP4187531B2; CA2441329C; DE10114727B4; ATE346737T1; CA2441329A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Schneckenelement mit einem Außenradius R_a und einem Kemradius R_i für Mehrschneckenextruder mit gleichsinnig drehenden und miteinander kämmenden Schneckenwellen, insbesondere für Doppelschneckenextruder, das im axialen Querschnitt durch seine Längsachse ein Profil aufweist, das an den beiden axialen Stirnseiten jeweils nur einen einem herkömmlichen eingängigen Schneckenelement-für miteinander kämmende Schneckenwellen entsprechenden Schneckensteg aufweist, dessen Stegoberfläche zwischen einer linken und einer rechten Stegkante Teil einer Zylinderoberfläche mit dem Außenradius R_a ist, wobei jede Stirnseite einen kreisförmigen Grund mit dem Kemradius R_i der Schneckenwelle und eine linke und eine rechte Flanke aufweist, die den Grund mit der linken bzw. rechten Stegkante verbindet.
Die Konstruktionsprinzipien zur Erstellung von Schneckenelementen für gleichsinnig drehende und dicht kämmende Mehrschneckenextruder, die auch als Erdmenger-Profile bezeichnet werden, sind seit vielen Jahren bekannt. Eine entsprechende Beschreibung befindet sich beispielsweise in der Buchveröffentlichung "Der Doppelschneckenextruder, Grundlagen und Anwendungsgebiete", VDI Verlag GmbH, Düsseldorf, 1995 (Seiten 10 - 30). In der Abbildung 1.4 (Seite 14) dieser Veröffentlichung ist beispielsweise das Profil eines eingängigen Schneckenelements der eingangs genannten Art im axialen Querschnitt dargestellt.
Zum dispersiven und distributiven Einmischen beispielsweise von Additiven oder sonstigen Komponenten in plastische Massen werden üblicherweise Knetblöcke eingesetzt, die aus mehreren axial hintereinander angeordneten und gegeneinander winkelversetzten Knetscheiben mit Erdmenger-Profil bestehen. Die Knetscheiben sind jeweils paarweise einander gegenüberliegend auf den beiden Schneckenwellen des jeweiligen Doppelschneckenextruders angeordnet und kämmen dicht miteinander. Der Mischprozess in herkömmlichen Knetblöcken ist als statistischer Prozess anzusehen, d.h. dass die in einzelnen Volumenelementen geleistete Mischarbeit unterschiedlich stark ist. Zur Erzielung einer hohen Homogenität der Mischung muss daher sehr viel mechanische Energie aufgewendet werden, um sicherzustellen, dass möglichst jedes Volumenelement auch einer Scherung unterzogen wird. Bezogen auf eine einzelne Knetscheibe wird jeweils ein relativ kleiner Anteil des zu behandelnden Materials extrem stark geschert, während der weitaus größte Teil des Materials dem Scherspalt zwischen Knetscheibe und Zylinderwand ausweicht und somit nur wenig geschert wird. Aus diesem Grunde sind zur Sicherstellung einer hohen Homogenität der Mischung entweder sehr lange Knetblöcke der bekannten Art oder aber hohe Drehzahlen erforderlich. In jedem Fall wird sehr viel mechanische Energie aufgewendet und in Form von Wärme in das zu behandelnde Material eingetragen. Insbesondere bei der Verarbeitung von Kautschukmischungen ist die Entstehung größerer Wärmemengen äußerst unerwünscht.
Aus der DE 42 39 220 A1 ist ein Doppelschneckenextruder mit zwei gleichen, dicht kämmenden und gleichsinnig angetriebenen Schneckenwellen bekannt, die in den Bohrungen eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind. Die Schneckenwellen sind mit Knetscheiben versehen, welche einen dreigängigen Wellenquerschnitt besitzen, also drei Kämme aufweisen. Der Abstand der Kämme zur Innenoberfläche der Gehäusebohrung und die Breite der Kämme sind unterschiedlich. Der Kamm mit der größten Kammbreite weist dabei den geringsten Abstand zur Innenfläche der Gehäusebohrung auf. Die aus dieser Schrift bekannten Schneckenelemente sind über ihre gesamte axiale Länge dreigängig ausgebildet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schneckenelement der gattungsgemäßen Art dahin gehend weiterzubilden, dass bei gleichem Homogenisierungsergebnis ein deutlich geringerer Energieeintrag in das zu behandelnde Material erfolgt.
Gelöst wird diese Aufgabe nach der vorliegenden Erfindung bei einem gattungsgemäßen Schneckenelement durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Schneckenelement besitzt im Querschnitt durch seine Längsachse eine vordere und eine hintere Stirnseite, die in ihrer Form derjenigen eines eingängigen Schneckenelements für miteinander kämmende Schneckenwellen von Mehrschneckenextruder entspricht. Dadurch lässt sich dieses Schneckenelement völlig problemlos mit entsprechenden herkömmlichen eingängigen Schneckenelementen für gleichsinnig drehende und miteinander kämmende Schneckenwellen auf einer gemeinsamen Schneckenwelle kombinieren. Vorzugsweise ist die Profilgeometrie des Schneckenelements auf ein dichtes Kämmen der Schneckenelemente ausgelegt. In diesem Fall ist das fertigungstechnisch notwendige Spiel zwischen den Schneckenelementen und der Innenwand des Extrudergehäuses sowie untereinander üblicherweise im Abmessungsbereich weniger Zehntel Millimeter. Der erfindungsgemäße Erfolg lässt sich aber auch noch zu einem wesentlichen Teil erreichen, wenn ein größeres Spiel (im Bereich bis zu mehreren Millimetern, z.B. 1 - 5 mm je nach Gehäusedurchmesser) gewählt wird und die Schneckenelemente sich nicht berühren können, also nicht im strengen Sinne dicht kämmen.
Zur Vermeidung von Missverständnissen sei darauf hingewiesen, dass sich die folgenden Ausführungen jeweils auf ein in Verfahrensrichtung rechts drehendes Schneckenpaar beziehen.
Über die axiale Länge zwischen der vorderen und der hinteren Stirnseite weicht die Form dieses Schneckenelements allerdings deutlich von der bekannten Geometrie eingängiger Schneckenelemente ab, ohne aber die Eigenschaft des Miteinanderkämmens bzw. Dichtkämmens zu verlieren. Die Breite des Schneckenstegs (Kammwinkel) reduziert sich ausgehend von der vorderen Stirnseite und der dem Drehsinn des Schneckenelements entgegengesetzten Stegkante (bei Rechtsdrehung also ausgehend von der linken Stegkante) entlang der Längsachse bis zu einer Teillänge x der axialen Länge I des Schneckenelements bis auf 0 zu einer Kante. Der Abstand dieser Kante von der Längsachse reduziert sich zunächst mit zunehmendem Abstand von der vorderen Stirnseite und nimmt danach allerdings wieder zu, bis diese Kante in der dem Drehsinn des Schneckenelements entsprechenden Stegkante (bei Rechtsdrehung also in der rechten Stegkante) an der hinteren Stirnseite endet. Entsprechend umgekehrt reduziert sich die Breite des Schneckenstegs ausgehend von der hinteren Stirnseite und der dem Drehsinn entsprechenden Stegkante (bei Rechtsdrehung also rechte Stegkante) entlang der Längsachse bis zu einer Teillänge x der axialen Länge I des Schneckenelements bis auf 0 zu einer Kante, deren Abstand von der Längsachse sich danach zunächst reduziert und die anschließend mit wieder größer werdendem Abstand der Stegoberfläche von der Längsachse in der dem Drehsinn des Schneckenelements entgegengesetzten Stegkante (bei Rechtsdrehung also linke Stegkante) an der vorderen Stirnseite endet. Somit verfügt dieses Schneckenelement statt eines einzelnen Stegs mit gleichbleibender Stegbreite und gleichbleibendem Abstand der Stegoberfläche von der Längsachse über zwei bezüglich der Längsachse symmetrisch zueinander verlaufende Stegelemente, die in einem Abschnitt jeweils einen konstanten Stegradius bei abnehmender Stegbreite (Kammwinkel) und in einem weiteren Abschnitt eine Stegbreite 0 (d.h. Ausbildung einer Kante) und einen sich entlang der Längsachse verändernden Abstand von der Längsachse aufweisen. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Schneckenelement jedoch noch durch einen weiteren Steg gekennzeichnet, nämlich einen Schersteg. Dieser Schersteg besitzt einen Scherstegradius R_s, d.h. einen Abstand von der Längsachse des Schneckenelements, der größer als der Kemradius R_i und kleiner als der Außenradius R_a ist. Der Schersteg geht von demjenigen Punkt auf der dem Drehsinn des Schneckenelements entsprechenden Flanke (bei Rechtsdrehung also rechte Flanke) der vorderen Stirnseite aus, der die Entfernung Rs von der Längsachse besitzt, und verläuft schraubenlinienförmig entsprechend dem Drehsinn des Schneckenelements zu der dem Drehsinn des Schneckenelements entgegengesetzten Flanke (bei Rechtsdrehung also linke Flanke) der hinteren Stirnseite. Der Schersteg besteht in seiner axialen Länge aus einem axialen Mittelstück mit im wesentlichen konstanter Stegbreite (d.h. konstanter Kammwinkel) und jeweils einem Übergangsstück vom Mittelstück zur vorderen bzw. hinteren Stirnseite. In diesen Übergangsstücken vermindert sich die Stegbreite jeweils mit zunehmender Annäherung an die Stirnseite vorzugsweise kontinuierlich bis auf 0 zu einer Kante, die an der jeweiligen Stirnseite in der Flanke endet.
Der beschriebene Verlauf des Scherstegs ist im Grundsatz so angelegt, dass er auf das zu behandelnde Material rückfördemd wirkt. Diese Charakteristik lässt sich jedoch deutlich beeinflussen, wenn man der Form des Schneckenelements zumindest über ein Teilstück seiner axialen Länge eine zusätzliche Steigung überlagert, indem man die Form des Schneckenelements tordiert, also hintereinander liegende Querschnitte gegeneinander verdreht. Bezogen auf die axiale Länge eines Abschnitts des Schneckenelements kann die Größe der Tordierung bei Bedarf in einzelnen Abschnitten unterschiedlich gewählt werden. Zur Verstärkung des Rückfördereffektes des Scherstegs kann die zusätzliche Steigung durch Tordierung des Querschnitts gegenüber der vorderen Stirnseite in Richtung der vorgesehenen Drehrichtung des Schneckenelements vorgenommen werden. Eine Verminderung des Rückfördereffektes oder sogar die Umkehrung in einen besonders vorteilhaften Vorwärtsfördereffekt lässt sich dadurch erreichen, dass die zusätzliche Steigung durch Tordierung des Querschnitts gegenüber der vorderen Stirnseite in Richtung entgegen der vorgesehenen Drehrichtung des Schneckenelements vorgenommen wird. Diese Ausführungsform wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt.
Zweckmäßigerweise wird die zusätzliche Steigung dem Schneckenelement über seine gesamte Länge überlagert. Es ist aber auch möglich, mehreren axial hintereinander liegenden Abschnitten des Schneckenelements unterschiedliche zusätzliche Steigungen zu überlagern.
Die Wirkung des erfindungsgemäßen Schneckenelements ist so, dass das durch den jeweiligen Mehrschneckenextruder geförderte Material in einen Schneckenkanal, also in den jeweiligen Hohlraum zwischen Schneckenelement und dem das Schneckenelement umgebenden Extruderzylinder eingezogen wird, der von einem Schersteg im Sinne einer Barriere begrenzt wird und dessen Querschnittsvolumen in Förderrichtung bis auf 0 reduziert wird, so dass das Material ausnahmslos über den Schersteg gezwungen wird. Somit findet eine definierte Scherung und Dehnung für jedes Volumenelement des zu behandelnden Materials statt. Es sind keine besonderen Rückstauelemente erforderlich, um eine ausreichende Durchmischung sicherzustellen. Daher kann eine mit den erfindungsgemäßen Schneckenelementen bestückte Extruderanlage ohne Weiteres leer gefahren werden. Hinzu kommt, dass das Profil dieses erfindungsgemäßen Schneckenelements selbstreinigend ist, wenn es als dicht kämmendes Schneckenelement ausgelegt ist. Aufgrund dieser Eigenschaften lassen sich Materialwechsel und auch Farbwechsel bei einer mit den erfindungsgemäßen Schneckenelementen bestückten Extruderanlage besonders schnell und unter geringstem Aufwand bewerkstelligen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1, 2: perspektivische Ansichten eines erfindungsgemäßen Schneckenelements,
Fig. 3: eine Seitenansicht des Schneckenelements gemäß den Figuren 1 und 2,
Fig. 4 - 10: Axialschnitte gemäß Figur 3 und
Fig. 11 - 12: perspektivische Ansichten eines erfindungsgemäßen Schneckenelements mit zusätzlich überlagerter Steigung.

Das in den Fig. 1 und 2 in einer perspektivischen Ansicht von rechts vorne bzw. von links vome gezeigte erfindungsgemäße Schneckenelement (in Fig. 1a und Fig. 2a als Draht- und in Fig. 1 bund Fig. 2b als Flächenmodell) ist, wie durch den auf die vordere Stirnseite 8 aufgetragenen dicken Pfeil angedeutet ist, für eine rechtsdrehende Schneckenwelle vorgesehen. Das Profil der Stirnseite 8 ist im gewählten Ausführungsbeispiel das eines dicht kämmenden eingängigen Schneckenelements nach Erdmenger. Die Längsachse des Schneckenelements, das eine axiale Länge 1 aufweist, ist mit 10 bezeichnet. Zwischen den Punkten 5, 6, die auch als Stegkanten zu bezeichnen sind, erstreckt sich der Steg 1, der eine zylindermantelförmige Oberfläche aufweist und im stirnseitigen Schnitt als Kreisbogen mit dem Radius R_a um den durch die Längsachse 10 definierten Mittelpunkt ausgebildet ist. Die Stegbreite ist durch den Kammwinkel ϕ definiert, der zwischen den beiden durch die linke bzw. rechte Stegkante 5, 6 gehenden Radien R_a eingeschlossen ist. Diametral gegenüber dem Steg 1 liegt der Grund 2, der ebenfalls eine zylindermantelförmige Gestalt aufweist und daher im Stirnschnitt kreisförmig ist. Der Radius des Grundes ist mit R_i bezeichnet und entspricht dem Kerndurchmesser der zugehörigen Schneckenwelle (Kernradius R_i). In Umfangsrichtung erstreckt sich der Grund 2 der Stirnseite 8 ebenso wie der Steg 1 über einen Winkel ϕ. Zwischen dem Steg 1 und dem Grund 2 liegen zwei Flanken 3, 4, die in der Stirnfläche 8 jeweils einem Kreisbogen mit dem Radius R_a + R_i entsprechen. Der Kreismittelpunkt für die Flanke 4 liegt auf der gegenüberliegenden linken Stegkante 5, während der Mittelpunkt der linke Flanke 3 auf der gegenüberliegenden rechten Stegkante 6 liegt. Grundsätzlich ist es möglich, den Kammwinkel ϕ für den Steg 1 unterschiedlich zu dem Kammwinkel für den Grund 2 zu wählen. In diesem Fall würde das mit dem jeweiligen Schneckenelement kämmende Gegenelement jedoch eine entsprechend komplementär andere Form aufweisen müssen. Insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen empfiehlt es sich, die beiden Kammwinkel wie im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 gleich zu wählen, um jeweils 2 gleichartige Schneckenelemente miteinander kämmen zu lassen.
Die der vorderen Stirnseite 8 gegenüberliegende hintere Stirnseite 8' weist eine völlig gleichartige Profilform auf. Zur Unterscheidung zu den Punkten bzw. Profillinien der vorderen Stirnseite 8 sind die entsprechenden Punkte und Profillinien der hinteren Stirnseite 8' unter Beibehaltung der Nummerierung mit einem zusätzlichen Strich gekennzeichnet, wie dies aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht. Letztere zeigt das Schneckenelement aus Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht von links vorne Zwischen den beiden Stirnseiten 8, 8' weist das Schneckenelement folgende Form auf: In axialer Richtung von der vorderen Stirnseite 8 zur hinteren Stirnseite 8' nimmt die Breite des Stegs 1 bis zu einer axialen Teillänge x ausgehend von der linken Stegkante 5 bis auf den Wert 0 ab. An der Stelle der Teillänge x fallen beide Stegkanten 5, 6 also zu einem Punkt zusammen und setzen sich danach in einer gemeinsamen Kante 11 fort, die in der rechten Stegkante 6' der hinteren Stirnseite 8' endet. Der Abstand der Kante 11 von der Längsachse 10 nimmt dabei zunächst über ein weiteres Teilstück der axialen Länge ab und steigt dann wieder bis auf den ursprünglichen Wert R_a im Punkt 6' an. Entsprechend umgekehrt nimmt die Stegbreite 1' ausgehend von der rechten hinteren Stegkante 6' in Richtung auf die vordere Stirnseite 8 bis zum Erreichen einer axialen Teillänge x auf den Wert 0 ab. Dort fallen die beiden Stegkanten 6' und 5' wiederum in einem Punkt zusammen und setzen sich in einer Kante 11' bis zum Erreichen der linken Stegkante 5 in der vorderen Stirnseite 8 fort. Die Kante 11' hat einen entsprechenden Verlauf wie die Kante 11, verringert also mit zunehmender Annäherung an die Stirnseite 8 zunächst ihren Abstand von der Längsachse 10 ausgehend vom ursprünglichen Wert R_a über ein gewisses Teilstück der axialen Länge und steigt danach wieder bis auf den ursprünglichen Wert R_a an. Neben den beiden untereinander ähnlichen Stegelementen in Gestalt des Stegs 1 und der Kante 11 bzw. des Stegs 1' und der Kante 11' verfügt das erfindungsgemäße Schneckenelement noch über ein drittes Stegelement in Gestalt eines Scherstegs 7, der sich mit gleichbleibendem Abstand (Scherstegradius R_S) von der Längsachse 10 ausgehend von der rechten Flanke 4 an der vorderen Stirnseite 8 in der für das erfindungsgemäße Schneckenelement vorgesehenen Drehrichtung (also hier rechtsdrehend) bis zu einem entsprechenden Punkt 9' auf der linken Flanke 3' an der hinteren Stirnseite 8' erstreckt. Die Stegbreite (gemessen als Scherstegkammwinkel von der Längsachse 10 aus, in Fig. 1 und 2 nicht dargestellt) ist in einem mittleren Abschnitt der axialen Länge I konstant. Letzteres ist aber nicht zwingend notwendig. Zwischen der vorderen Stirnseite 8 und der hinteren Stirnseite 8' setzt sich das Mittelstück des Scherstegs 7 jeweils in einem Übergangsstück bis zu den beiden Stirnseiten 8, 8' fort. In diesem Übergangsstück bleibt der Abstand (Scherstegradius R_S) zur Längsachse 10 jeweils konstant. Ausgehend von der jeweiligen Stirnseite 8, 8' hat der Schersteg 7 über ein erstes axiales Teilstück zunächst die Breite 0, ist also eine Kante, und verbreitert sich in einem zweiten axialen Teilstück von 0 bis auf die Scherstegbreite des Mittelstücks des Scherstegs 7.
Die Figur 3 zeigt das erfindungsgemäße Schneckenelement in einer Seitenansicht. Über die axiale Länge I ist dieses Schneckenelement in Teilstücke aufgeteilt, deren axiale Länge mit den Buchstaben a - g gekennzeichnet sind. Im gewählten Ausführungsbeispiel sind die axialen Längen der Teilstücke a und g bzw. b und f bzw. c und e paarweise untereinander gleich. Durch die einzelnen Teilstücke sind jeweils quer zur Längsachse 10 insgesamt 7 Schnitte gelegt, die mit den Buchstaben A-A bis G-G bezeichnet sind. Diese 7 Schnitte sind in den Figuren 4 bis 10 im einzelnen dargestellt. Vergleichbare markante Punkte der Querschnitte sind jeweils mit P und einem gleich bleibenden Zahlenindex gekennzeichnet. Zur Unterscheidung der einzelnen Schnitte ist der Zahlenindex durch einen dem jeweiligen Schnitt (z.B. A-A) entsprechenden zusätzlichen kleinen Buchstaben (z.B. a) ergänzt. Durch Vergleich der einzelnen Schnitte sind die Verläufe der Stegelemente, die entsprechend der Kennzeichnung aus den Figuren 1 - 3 ebenfalls angegeben sind, im einzelnen verfolgen. Aus der Tabelle 1 sind zu jedem der sieben Profilschnitte die Parameterangaben zu den einzelnen Kreisbögen entnehmbar (Eckpunkte, Radius, Mittelpunkt), aus denen die Profilschnitte A-A bis G-G jeweils zusammengesetzt sind, so dass auf eine ausführliche verbale Beschreibung verzichtet werden kann.
Stellvertretend für die übrigen Schnittbilder (Figur 5 bis 10) sind in Figur 4 die Radien von vier für die Konstruktion wichtigen Kreisen eingetragen, nämlich der Außenradius R_a, der Scherstegradius R_S, der Kemradius R_i und ein Radius R_i + R_a - R_S. Weiterhin ist der Kammwinkel ϕ des Scherstegs 1 angegeben. Mit dem Winkel α ist der Winkel bezeichnet, um den die rechte Stegkante 6' um die Längsachse 10 (= Mittelpunkt des jeweiligen Profilschnitts) gegenüber der Vertikalen verdreht ist. Dieser Winkel α hat auf die Konstruktion des Profilquerschnitts aber keinen Einfluss. Mit β ist der Windungswinkel des Scherstegs 7 bezeichnet, dabei handelt es sich um denjenigen Winkel, um den im Querschnitt gesehen die rechte Stegkante des Scherstegs 7, die jeweils die Punktbezeichnung P₃ (also P_3a - P_3g) trägt, gegenüber der rechten Stegkante 6 bzw. 6' um die Längsachse 10 verdreht ist. In der Tabelle 2 ist für jeden der gemäß Figur 3 festgelegten Profilabschnitte a - g eingetragen, welchen Wert der Winkel β am Anfang (Anfangsgrenzwinkel) und am Ende (Endgrenzwinkel) des jeweiligen Profilabschnitts aufweist. Innerhalb des jeweiligen Profilabschnitts verändert sich der Winkel β kontinuierlich zwischen diesen beiden Grenzwinkeln. Zusätzlich ist in Tabelle 2 auch zu jedem Profilabschnitt angegeben, welchen Wert der Scherstegkammwinkel δ in diesen Profilabschnitten jeweils aufweist. In den Profilabschnitten a und g ist der Winkel δ jeweils konstant gleich 0°, d.h. die Scherstegbreite ist 0 (Kante). In den Profilabschnitten c, d und e liegt der Scherstegkammwinkel jeweils bei dem Wert δ_soll, d.h. es liegt eine konstante Scherstegbreite vor. In den beiden Abschnitten b und f nimmt die Scherstegbreite bzw. der Scherstegkammwinkel δ von 0° kontinuierlich bis auf den gewünschten Wert δ_soll zu bzw. nimmt von diesem Wert δ_soll bis auf 0 ab.
Die Figuren 4 bis 6 zeigen, dass die Breite des zwischen den Punkten P₇ und P₁ liegenden Steges 1 vom Schnitt A-A bis zum Schnitt C-C deutlich abnimmt. In Figur 7 ist der Steg 1 nicht mehr vorhanden und nur noch die aus ihm hervorgehende Kante 11 erkennbar, auf der der Punkt P₁ (P_1d) weiterwandert (Figuren 8 - 10) in Form der Punkte P_1e bis P_1g, bis er schließlich an der hinteren Stirnseite 8' mit der hinteren rechten Stegkante 6' zusammenfällt (Figur 3). Entsprechendes gilt für den Steg 1',der an der hinteren Stirnseite 8' von den beiden Stegkanten 5' und 6' begrenzt ist, wenn man die Figuren 4 bis 10 der Reihenfolge rückwärts betrachtet und dabei das Wandern der Punkte P₁₀ (P_10g, P_10f) und P₆ (P_6g - P_6a) verfolgt.
Im Hinblick auf den Schersteg 7 ist folgendes festzustellen: In Figur 4 ist der Schersteg nur in dem ungeschnittenen hinteren Teil des Schneckenelements erkennbar. Im Schnitt A-A ist die Breite des Scherstegs 7 null, dieser also nur als Kante im Punkt P_3a repräsentiert. In der nächsten Figur 5 hat der Schersteg 7, wie dies auch aus der Seitenansicht des Profilabschnitts b in Figur 3 hervorgeht, bereits etwa die Hälfte seines Sollwertes erreicht, was durch den Scherstegkammwinkel δ angedeutet wird.
Der Schnitt C-C in Figur 3 zeigt den Schersteg 7 mit seiner vollen Sollbreite, die sich zwischen den Punkten P_2c und P_3c erstreckt. Diese Sollbreite des Scherstegs 7 liegt auch in den beiden nächsten Schnitten D-D (Figur 7) und E-E (Figur 8) vor. In Figur 9 (Schnitt F-F) rücken die beiden Punkten P₂ und P₃ wieder näher aneinander, d.h. dass die Breite des Scherstegs 7 in Gestalt des Scherstegkammwinkel δ wieder abnimmt. Insoweit entspricht die Figur 9 der Darstellung in Figur 5. In Figur 10 ist der Schersteg 7 wieder zu einer Kante zusammengeschrumpft, die durch den Punkt P_2g repräsentiert wird. Insoweit entspricht Figur 10 der Darstellung von Figur 4. Soweit die einzelnen Profilpunkte P₁ bis P₁₂ aus den Figuren 4 bis 10 in der Seitenansicht der Figur 3 erkennbar sind, sind diese dort eingetragen.
In den Figuren 11 und 12 ist eine Abwandlung des Schneckenelements gemäß den Figuren 1 - 3 von links bzw. rechts vorne dargestellt (in Fig. 11a als Draht- und in Fig 12b als Flächenmodell). Dieses unterscheidet sich lediglich dadurch, dass dem Schneckenelement eine zusätzliche.Steigung überlagert worden ist. Im vorliegenden Beispiel entspricht diese zusätzliche Steigung einer Tordierung durch Verdrehung des Profils der hinteren Stirnseite 8' gegenüber der vorderen Stirnseite 8 um einen Verdrehwinkel von 360° entgegen der vorgesehenen Drehrichtung des Schneckenprofils (also Verdrehung nach links). Im vorliegenden Fall wurde die Tordierung des Profilquerschnitts gleichmäßig über die gesamte axiale Länge des Schneckenprofils vorgenommen. Dadurch verläuft die rechte Stegkante nicht mehr wie in Figur 3 parallel zur Längsachse 10, sondern windet sich mit einem Linksdrall um die Längsachse 10. Die linke Stegkante 5 windet sich nicht mehr wie in Figur 2 mit einem Rechtsdrall um die Längsachse 10, sondern ebenfalls mit einem Linksdrall. Entsprechendes gilt für die Kante 11, in der sich die linke und die rechte Stegkante 5, 6 fortsetzen. Weiterhin erkennt man aus Figur 11 den Verlauf des Scherstegs 7, der sich nicht mehr um mehr als 180° rechtsdrehend um die Längsachse 10 windet, sondern jetzt linksdrehend über einen Winkel von weniger als 180° von der Flanke 4 aus dem Nahbereich der rechten Stegkante 6 der vorderen Stirnseite bis zur linken Flanke 3' in den Nahbereich der linken Stegkante 5' der hinteren Stirnseite 8' verläuft.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde jeweils eine lineare Änderung des Winkels β zu Grunde gelegt, die also proportional zum jeweiligen axialen Abstand eines Profilschnitts von der vorderen Stirnseite ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine andersartige veränderliche Zunahme des Winkels β als Funktion der axialen Länge festzulegen. Entsprechendes gilt auch für die Zunahme des Winkels δ von 0° auf den gewünschten Sollwert. Zu letzterem ist anzumerken, dass dieser Sollwert, also die Scherstegbreite im axialen Mittelbereich des Schneckenelements, nicht unbedingt streng konstant sein muss. Eine konstante Scherstegbreite bedeutet eine über die axiale Länge des Scherstegs konstante Größe der Scherung.

Bezugszeichenliste:

1,1': Schneckensteg
2, 2': Grund
3, 3': linke Flanke
4, 4': rechte Flanke
5, 5': linke Stegkante
6,6': rechte Stegkante
7: Schersteg
8, 8': vordere bzw. hintere Stirnseite
9, 9': Punkt
10: Längsachse
11, 11': Kante

x: axiale Teillänge
I: axiale Länge
α: Verdrehwinkel des Profils
β: Windungswinkel des Scherstegs
δ: Schersteg-Kammwinkel
ϕ: Kammwinkel
R_a: Außenradius
R_i: Kemradius
R_s: Scherstegradius
P_1a - P_12g: Punkte in den Profilschnitten A-A bis G-G
a-g: Profilabschnitt in axialer Richtung

Tabelle 1

Profilschnitt	Parameterangaben zu den Kreisbögen der Profilschnitte
A-A	Endpunkte	P_1a, P_3a	P_3a, P_4a	P_4a, P_5a	P_5a, P_6a	P_6a, P_7a	P_7a, P_1a
	Radius	R_a+ R_i	R_a + R_i	R_i	R_a + R_i	R_a + R_i	R_a
	Mittelpunkt	P_6a	P_7a	10	P_1a	P_3a	10
B-B	Endpunkte	P_1b, P_2b	P_2b, P_3b	P_3b, P_4b	P_4b, P_5b	P_5b, P_6b	P_6b, P_8b	P_8b, P_7b	P_7b, P_1b
	Radius	R_a + R_i	R_S	R_a + R_i	R_i	R_a+ R_i	R_i + R_a - R_s	R_a + R_i	R_a
	Mittelpunkt	P_6b	10	P_7b	10	P_1b	10	P_3b	10
C-C	Endpunkte	P_1c, P_2c	P_2c, P_3c	P_3c, P_4c	P_4c, P_5c	P_5c, P_6c	P_6c, P_9c	P_9c, P_8c	P_8c, P_7c	P_7c, P_1c
	Radius	R_a + R_i	R_S	R_a + R_i	R_i	R_a + R_i	R_a + R_i	R_i + R_a - R_S	R_a + R_i	R_a
	Mittelpunkt	P_6c	10	P_7c	10	P_1c	P_2c	10	P_3c	10
D-D	Endpunkte	P_1d, P_2d	P_2d, P_3d	P_3d, P_6d	P_6d, P_9d	P_9d, P_8d	P_8d, P_1d
	Radius	R_a+R_l	R_S	R_a + R_l	R_a + R_l	R_l + R_a - R_S	R_a + R_l
	Mittelpunkt	P_6d	10	P_1d	P_2d	10	P_3d
E-E	Endpunkte	P_1e, P_11e	P_11e, P_12e	P_12e, P_2e	P_2e, P_3e	P_3e, P_6e	P_6e, P_10e	P_10e, P_9e	P_9e, P_8e	P_8e, P_1e
	Radius	R_a + R_l	R_i	R_a + R_l	R_S	R_a + R_l	R_a	R_a + R_i	R_l + R_a - R_S	R_a + R_l
	Mittelpunkt	P_6e	10	P_10e	10	P_1e	10	P_2e	10	P_3e
F-F	Endpunkte	P_1f, P_11f	P_11f, P_12f	P_12f, P_2f	P_2f, P_3f	P_3f, P_6f	P_6f, P_10f	P_10f, P_9f	P_9f, P_1f
	Radius	R_a + R_l	R_l	R_a + R_l	R_S	R_a + R_i	R_a	R_a + R_i	R_i + R_a - R_S
	Mittelpunkt	P_6f	10	P_10f	10	P_1f	10	P₂f	10
G-G	Endpunkte	P_1g, P_11g	P_11g, P_12f	P_12g, P_2g	P_2g, P_6g	P_6g, P_10g	P_10g, P_1g
	Radius	R_a + R_i	R_i	R_a + R_i	R_a + R_i	R_a	R_a + R_i
	Mittelpunkt	P_6g	10	P_10g	P_1g	10	P_2g

Tabelle 2

Profilabschnitt	Anfangsgrenzwinkel	Endgrenzwinkel
a	$δ = 0 °$	$δ = 0 °$
(Schnitt A - A)	$β = \arccos (\frac{({Ra}^{2} + {Rs}^{2} - (Ri + Ra)}{2 RaRs})$	$β = 180 ° - \arccos (\frac{{(Ri + Ra)}^{2} - {Ra}^{2} - {(Ri + Ra - Rs)}^{2}}{- 2 Ra (Ri + Ra - Rs)})$
	$- \arccos (1 - \frac{(Ri + Ra)}{2 {Ra}^{2}})$
b	$δ = 0 °$	$δ = δ_{Soll}$
(Schnitt B - B)	$β = 180 ° - \arccos (\frac{(R_{i} + Ra) - {Ra}^{2} - (Ri + Ra - Rs)}{- 2 Ra (Ri + Ra - Rs)})$	$β = 180 ° - \arccos (\frac{{(Ri + Ra)}^{2} - {Ra}^{2} - {(Ri + Ra - Rs)}^{2}}{- 2 Ra (Ri + Ra - Rs)}) + δ_{soll}$
c	$δ = δ_{Soll}$	$δ = δ_{Soll}$
(Schnitt C - C)	$β = 180 ° - \arccos (\frac{{(Ri + Ra)}^{2} - {Ra}^{2} - {(Ri + Ra - Rs)}^{2}}{- 2 Ra (Ri + Ra - Rs)}) + δ_{Soll}$	$β = \arccos (({Ra}^{2} + {Rs}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}) / (2 RaRs))$
d	$δ = δ_{Soll}$	$δ = δ_{Soll}$
(Schnitt D - D)	$β = \arccos (({Ra}^{2} + {Rs}^{2} - {(Ri - Ra)}^{2}) / (2 RaRs))$	$β = 360 ° - \arccos (\frac{2 {Ra}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}}{2 {Ra}^{2}}) - \arccos (\frac{{Ra}^{2} + {Rs}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}}{2 RaRs}) + δ_{Soll}$
e	$δ = δ_{Soll}$	$δ = δ_{Soll}$
(Schnitt E - E)	$β = 360 ° - \arccos (\frac{2 {Ra}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}}{2 {Ra}^{2}}) - \arccos (\frac{{Ra}^{2} + {Rs}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}}{2 RaRs}) + δ_{Soll}$	$β = 180 ° + \arccos (\frac{{Ra}^{2} + {(Ri + Ra - Rs)}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}}{2 Ra (Ri + Ra - Rs)}) - \arccos (\frac{2 {Ra}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2})}{2 {Ra}^{2}})$
f	$δ = δ_{Soll}$	$δ = 0 °$
(Schnitt F - F)	$β = 180 ° + \arccos (\frac{{Ra}^{2} + {(Ri + Ra - Rs)}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}}{2 Ra (Ri + Ra - Rs)}) - \arccos (\frac{2 {Ra}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}}{2 {Ra}^{2}})$	$β = 180 ° + \arccos (\frac{{Ra}^{2} + {(Ri + Ra - Rs)}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}}{2 Ra (Ri + Ra - Rs)}) - \arccos (\frac{2 {Ra}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}}{2 {Ra}^{2}})$
9	$δ = 0 °$	$δ = 0 °$
(Schnitt G - G)	$β = 180 ° + \arccos (\frac{{Ra}^{2} + {(Ri + Ra - Rs)}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}}{2 Ra (Ri + Ra - Rs)}) - \arccos (\frac{2 {Ra}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}}{2 {Ra}^{2}})$	$β = 360 ° - \arccos (\frac{2 {Ra}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}}{2 {Ra}^{2}}) - \arccos (\frac{{Ra}^{2} + {Rs}^{2} - {(Ri + Ra)}^{2}}{2 RaRs}) + \arccos (1 - \frac{{(Ri + Ra)}^{2}}{2 {\begin{matrix} \end{matrix} Ra}^{2}})$

Claims

Schneckenelement mit einem Außenradius R_a und einem Kemradius R_i für Mehrschneckenextruder mit gleichsinnig drehenden und miteinander kämmenden Schneckenwellen, insbesondere für Doppelschneckenextruder, das im axialen Querschnitt durch seine Längsachse (10) ein Profil aufweist, das an den beiden axialen Stirnseiten (vordere Stirnseite 8, hintere Stirnseite 8') jeweils nur einen einem herkömmlichen eingängigen Schneckenelement für miteinander kämmende Schneckenwellen entsprechenden Schneckensteg (1, 1') aufweist, dessen Stegoberfläche zwischen einer linken (5, 5') und einer rechten Stegkante (6, 6') Teil einer Zylinderoberfläche mit dem Außenradius R_a ist, wobei jede Stirnseite (8, 8') einen kreisförmigen Grund (2, 2') mit dem Kemradius R_i der Schneckenwelle und eine linke (3, 3') und eine rechte Flanke (4, 4') aufweist, die den Grund (2, 2') mit der linken (5, 5') bzw. rechten Stegkante (6, 6') des Schneckenstegs (1, 1') verbindet,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Breite (Kammwinkel ϕ) des Schneckenstegs (1) sich ausgehend von der vorderen Stirnseite (8) und der dem Drehsinn des Schneckenelements entgegengesetzten Stegkante (bei Rechtsdrehung die linke Stegkante 5) entlang der Längsachse (10) bis zu einer Teillänge a der axialen Länge I des Schneckenelements bis auf 0 zu einer Kante (11) reduziert, deren Abstand von der Längsachse (10) sich danach zunächst reduziert und die anschließend mit wieder größer werdendem Abstand von der Längsachse (10) in der dem Drehsinn des Schneckenelements entsprechenden Stegkante (bei Rechtsdrehung die rechte Stegkante 6') an der hinteren Stirnseite (8') endet,

- dass entsprechend umgekehrt die Breite (Kammwinkel ϕ) des Schneckenstegs (1') sich ausgehend von der hinteren Stirnseite (8') und der dem Drehsinn entsprechenden Stegkante (6') entlang der Längsachse bis zu einer Teillänge a der axialen Länge I des Schneckenelements bis auf 0 zu einer Kante (11') reduziert, deren Abstand von der Längsachse (10) sich danach zunächst reduziert und die anschließend mit wieder größer werdendem Abstand von der Längsachse (10) in der dem Drehsinn des Schneckenelements entgegengesetzten Stegkante (5) an der vorderen Stirnseite (8) endet,

- und dass ein Schersteg (7) mit konstantem Scherstegradius R_s, der größer als R_i und kleiner als R_a ist, ausgehend (Punkt 9) von der dem Drehsinn des Schneckenelements entsprechenden Flanke (4) der vorderen Stirnseite (8) schraubenlinienförmig entsprechend dem Drehsinn des Schneckenelements zu der dem Drehsinn des Schneckenelements entgegengesetzten Flanke (3') der hinteren Stirnseite (8') (Punkt 9') verläuft, wobei der Schersteg (7) in seiner axialen Länge aus einem axialen Mittelstück mit im wesentlichen konstanter Stegbreite (Stegwinkel) und daran anschließend zu den beiden Punkten (9, 9') auf den Flanken (4, 3') hin aus jeweils einem Übergangsstück zusammengesetzt ist, dessen Stegbreite sich zur jeweiligen Stirnseite (8, 8') hin zunächst auf 0 reduziert und das dann als Kante in dem jeweiligen Punkt (9, 9') der Flanke (4, 3') an der Stirnseite (8, 8') endet.
Schneckenetement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Profil auf ein dichtes Kämmen der Schneckenelemente ausgelegt ist.
Schneckenelement nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Form des Schneckenelements mindestens über ein Teilstück seiner axialen Länge I eine zusätzliche Steigung (Querschnittstordierung) überlagert ist.
Schneckenelement nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zusätzliche Steigung zur Verstärkung eines Rückfördereffektes des Schneckenelements durch Tordierung des Querschnitts gegenüber der vorderen Stirnseite in Richtung der vorgesehenen Drehrichtung des Schneckenelements erzeugt ist.
Schneckenelement nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zusätzliche Steigung zur Verminderung eines Rückfördereffektes oder zur Erzeugung eines Vorwärtsfördereffektes durch Tordierung des Querschnitts gegenüber der vorderen Stirnseite in Richtung entgegen der vorgesehenen Drehrichtung des Schneckenelements erzeugt ist.
Schneckenelement nach einem der Ansprüche 4 - 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zusätzliche Steigung dem Schneckenelement über seine gesamte axiale Länge I überlagert ist.
Schneckenelement nach einem der Ansprüche 1 - 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehreren axialen Abschnitten des Schneckenelements unterschiedliche zusätzliche Steigungen überlagert sind.